基于有限元的O形密封圈密封性能分析

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针对较为常用的O形橡胶密封圈，在有限元软件Abaqus中对其静密封性能进行了仿真模拟，并研究了介质压力、摩擦因数和预压缩量对密封圈密封性能的影响规律。通过数值模拟可以实现对O形密封圈密封性能的预测，为密封圈的设计和应用提供了理论依据，同时也为其他结构密封圈的分析提供参考。

一、引言

O形密封圈由于其结构简单、密封性能好且制造费用低，被广泛地应用于机床、船舶、汽车、航空航天、冶金、化工以及铁道机械等行业，一般安装在外圆或内圆上截面为矩形的沟槽内起密封作用，适用于静密封和往复运动密封。 O形密封圈是一种双向作用的密封件，安装时径向或轴向方向给定一定的预压缩，使其具备初始密封能力，再在系统压力作用下产生密封力，与初始密封力合成总的密封力，实现对系统的密封。通常，为防止出现永久的塑性变形， O形圈允许的最大压缩量在静密封中约为30%，在动密封中约为20%。在静密封中，无挡圈时， O形密封圈的最高工作压力可达20MPa。由于影响 O形圈密封性能的因素较多，本文采用有限元软件Abaqus对静密封中的 O形圈的密封性能进行分析，并研究预压缩量、摩擦因素和介质压力对其密封性能的影响。

二、有限元模型

1.材料参数

O形密封圈采用的橡胶材料具有高度非线性，即几何非线性、材料非线性和接触非线性。在分析之前，需要做以下假设：材料具有确定的弹性模量和泊松比；材料的拉伸和压缩蠕变性质相同；密封圈受到的纵向压缩视为有约束边界的指定位移引起的；蠕变不引起体积的变化。

2.几何模型

密封圈及沟槽截面图，密封圈的材料为丁腈橡胶（NBR），其规格为150mm×5.33mm。在Abaqus中建立活塞杆、凹槽和密封圈的二维轴对称模型，活塞杆和凹槽材料为40Cr，弹性模量为206GPa，泊松比为0.3，密度为 7800kg/m3。分别建立密封圈与凹槽和活塞杆两组接触面，采用罚函数模拟面与面之间的接触，设定初始摩擦因数为0.2。采用四结点双线性轴对称四边形单元CAX4R对模型进行网格划分，划分网格后的有限元模型如图3所示。

3.载荷及边界

由于所建立的是轴对称模型，因而只需对凹槽和活塞杆进行轴向约束。对于静密封的数值模拟，需要两个载荷步来实现：第一步是对活塞杆施加径向位移0.5mm，形成对 O形密封圈进行初始预压缩，形成初始密封面；第二步是对密封圈的工作面施加流体介质压力，完成静密封过程。

三、计算结果分析

当初始预压缩量为0.5mm，介质工作压力为3MPa时，初始预压缩（ P=0）与介质压力（ P=3MPa）下的密封圈截面等效应力云图如图4所示。由图4可知，初始预压缩后 O形密封圈截面的等效应力呈“哑铃状”分布，最大等效应力并未出现在密封圈的表面，而是距离表面一定深度，最大等效应力为1.822MPa；当介质工作压力为3MPa时，密封圈的横截面出现了3处高应力区域，最大等效应力为3.2MPa，较无工作压力状态大1.378MPa，而应力越大，密封圈就越容易失效。

为初始预压缩（ P=0）与介质压力（ P=3MPa）下的密封圈主密封面（密封圈与活塞杆接触面）的接触应力云图。当接触应力大于介质工作压力时就可以实现良好密封，否则密封圈就会发生泄漏。密封接触面的中间接触应力较大而两边应力较小；有工作压力时的主密封面宽度大于无压力状态；当介质工作压力为3MPa时，主密封面的最大接触压力为5.147MPa，大于介质工作压力，说明密封圈可以实现良好密封。

四、影响因素分析

1.介质压力

在介质压力作用下， O形密封圈能够实现自密封，为不同介质压力下 O形密封圈的最大等效应力和接触应力。由图6可知，随着介质压力的增大，密封圈的等效应力和密封面的接触应力逐渐增大，但不成线性关系；当主密封面上的最大接触应力大于介质压力时就可以实现良好密封，当介质压力在5MPa范围内时，密封圈的最大接触应力均大于相应的介质压力，因而 O形密封圈可以实现良好密封；如果主密封面上的最大接触应力小于介质压力，该密封面就会失效，发生介质泄漏事故。

2.摩擦因素

当无介质压力时，初始压缩使密封圈发生压缩变形，摩擦因数对该状态下 O形密封圈应力影响较小。而当存在介质压力时，密封圈在沟槽中会出现局部滑动，而活塞杆密封表面与密封圈之间的摩擦因数就会对其应力产生影响。图7为不同摩擦因数下O形密封圈的应力变化，由图7可知，密封圈的等效应力和接触应力随摩擦因数的变化规律不同；密封圈的等效应力随着摩擦因数的增大而逐渐增大，而其接触应力却随着摩擦因数的增大而逐渐减小，但其变化率较小。需要注意的是，在动密封中与密封圈相接触的金属表面的粗糙度会影响密封圈的使用寿命及泄漏率。

3.预压缩量

图8所示为不同预压缩量下的 O形密封圈最大等效应力和接触应力变化曲线。由图8可知，随着预压缩量的增大，密封圈的最大等效应力和接触应力逐渐增大。

图9所示为存在介质压力时，预压缩量对密封圈等效应力和接触应力的影响。由图9可知， O形密封圈的最大等效应力随着预压缩量的增大呈现出了先减小后增大的趋势；而 O形圈的最大接触应力随着预压缩量的增大而增大，说明增大预压缩量可以提高O形圈的密封性能。

五、结语

在有限元软件Abaqus中对最常用的 O形密封圈的密封性能进行了仿真模拟，并研究了介质压力、摩擦因数和预压缩量对密封圈密封性能的影响规律。结果发现，当无介质压力时，密封圈的等效应力呈“哑铃状”分布，而存在介质压力时，密封圈的应力分布发生了较大变化；介质压力越大，密封圈主密封面上的接触应力越大；摩擦因数影响密封圈的等效应力和接触应力值，但影响率较小；预压缩量越大， O形圈的密封性能越好。